Sala prova motori. Sommario

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1 Sala prova motori Corso di : Motori a Combustione Interna Sommario Introduzione e principali componenti: layout sala prova motori; installazione motore e accoppiamento col freno, tipologie di freno; impianti ausiliari (raffreddamento, ventilazione-climatizzazione, alimentazione combustibile). Gestione sala prova motori: sistema di acquisizione dati; sistema di controllo; principali strumenti di misura (cenni).

2 Layout sala prova motori e principali componenti Freno Impianto di ventilazione Cabina fonoisolante Motore Torre di raffreddamento Sistema di acquisizione Serbatoi esterni Postazione operatore Layout sala prova motori

3 Layout sala prova motori Impianto di raffreddamento

4 Impianto di ventilazione Impianto di alimentazione combustibile

5 Layout sala prova motori Sistema di acquisizione e controllo

6 Funzionamento di un freno a carcassa oscillante Funzionamento di un freno a carcassa oscillante Schema di un freno a carcassa oscillante

7 Tipologie di freno Freni idraulici Freni a correnti parassite Freni elettrici (motori) Tipologie di freno Freni idraulici Funzionamento: formazione di un particolare campo di moto del liquido contenuto nella carcassa Regolazione:meccanica: distanza tra rotore e statore (Froude), quantità di liquido (Schenck) Vantaggi: elevata robustezza, bassi costi, elevate potenze frenate Svantaggi: regolazione non ottimale, impossibile frenare elevate coppie a basse velocità di rotazione e basse coppie elevate velocità di rotazione

8 Tipologie di freno Freni idraulici Freno idraulico Schenck Regolazione freno idraulico Froude Tipologie di freno Freni a correnti parassite Funzionamento: trasformazione del lavoro in calore, tramite correnti di Focault Regolazione: elettronica, mediante microprocessore Vantaggi: ottima regolazione,elevatepotenze frenate, bassa inerzia Svantaggi: costi elevati, impossibile frenare elevate coppie a basse velocità di rotazione e basse coppie elevate velocità di rotazione (limiti comunque più bassi rispetto i freni idraulici)

9 Tipologie di freno Freni a correnti parassite Freno a correnti parassite Apicom Schema di un freno a correnti parassite Tipologie di freno Freni (motori) elettrici Funzionamento: motori elettrici reversibili usati come generatori Regolazione: elettronica, mediante microprocessore Vantaggi: possibilità di trascinare il motore, ottima regolazione, limiti trascurabili in termini di coppia frenata alle diverse velocità di rotazione Svantaggi: costi molto elevati, elevata inerzia, impiantistica più complicata (alimentazione elettrica)

10 Freno a correnti parassite Tipologie di freno Confronto Freno idraulico Freno (motore) elettrico Tipologie di freno Momento d inerzia di diverse tipologie di freno a correnti parassite 10 Singolo Rotore Doppio Rotore Triplo Rotore Momento d'inerzia [kg gm2] 1 0,1 0,01 0, Potenza [kw] Dati da catalogo Apicom

11 Controllo del gruppo motore/freno Tipi di controllo per freni elettrici MOTORE % Posizione diretto M Coppia indiretto n Velocità di rotazione indiretto FRENO % Posizione diretto M Coppia indiretto n Velocità di rotazione indiretto Mn2 Potenza indiretto Equilibrio dinamico dω = dt M M I M F Controllo del gruppo motore/freno Caratteristiche meccaniche di motore e freno Caratteristiche meccaniche di a) motore e b) freno in funzione della posizione dell organo di regolazione (modo: posizione)

12 Controllo del gruppo motore/freno Condizioni di equilibrio del gruppo motore/freno Stabile Instabile Indifferente Controllo del gruppo motore/freno Combinazioni di controllo del gruppo motore/freno Motore: posizione (%) Freno: posizione (%) controllo a circuito aperto controllo manuale Motore: posizione (%) Freno: potenza (Mn2) controllo a circuito aperto controllo manuale freno simile a freno idraulico

13 Controllo del gruppo motore/freno Combinazioni di controllo del gruppo motore/freno Motore: posizione (%) Freno: velocità (n) controllo a circuito chiuso (freno) particolarmente stabile molto usato Motore: posizione (%) Freno: momento (M) controllo a circuito chiuso (freno) particolarmente stabile usato in alternativa al precedente Controllo del gruppo motore/freno Combinazioni di controllo del gruppo motore/freno Motore: velocità (n) Freno: coppia (M) controllo a circuito chiuso usato in rodaggio per limitare i carichi sul motore Motore: coppia (M) Freno: velocità (n) controllo a circuito chiuso usato per prove di confronto (es. consumo specifico)

14 Dimensionamento impianti Bilancio energetico semplificato di un motore Potenza meccanica Gas di scarico Convezione e irraggiamento Acqua Olio 10% 30% 27% 30% 3% 30% Impianto di raffreddamento Dimensionamento 1 0,9 0,95 Potenza termica (kw/k kw motore) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,7 0,4 0,1 0,1 0 Acqua -Motore ciclo Otto Acqua -Motore automobilistico ciclo Diesel Acqua -Motore ciclo Diesel di grandi dimensioni Olio Freno idraulico o a correnti parassite

15 Impianto di raffreddamento Esempio di dimensionamento per una sala prova per motori a ciclo Otto fino a 250 kw m& = P c T Acqua c = kj / (kg K) Temperature dei fluidi [ C] Scambiatore Potenza T Portata Portata d acqua d acqua kw K kg/s m 3 /h Acqua Olio Freno Totale Impianto di ventilazione Dimensionamento 0,5 0,45 Potenza termica (kw/kw motore) 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,1 0,3 0,05 0,05 0 Motore Sistema di scarico Freno

16 Impianto di ventilazione Esempio di dimensionamento per una sala prova per motori fino a 250 kw c p m& = c p T = 15 C P T Aria = kj / (kg K) ρ = 1.185kg / m 3 Potenza Potenza Portata Portata motore dissipata d aria d aria kw kw kg/s m 3 /s L impianto deve inoltre garantire: almeno 30 ricambid aria per ora Pa di depressione in cella m& a Impianto di ventilazione Immissione aria comburente ed estrazione gas di scarico ( A ) P K η max = F s i g ( A ) P K F s = max i g = kW = 44MJ / kg η = 0.3 m& a = kg / s Portata immissione aria comburente Miscelazionegas di scarico 1:5 m& g 1.65kg / s Portata estrazione gas di scarico

17 Impianto di ventilazione Climatizzazione aria comburente Riscaldamento Raffreddamento Al motore Da atmosfera Umidificazione Riscaldamento Correzione della potenza senza climatizzazione (Coefficienti correttivi previsti dalle Norme SIAE-J1349) C Diesel p = p ar a T T a ar 0.7 C Otto p = p ar a T T a ar 0.5 p ar = 99000Pa T ar = 298K Sistema di acquisizione Sensori bassa frequenza 100 Hz Segnale in tensione o corrente Scheda di acquisizione 100 Hz Segnale digitale Curva di calibrazione Curva di taratura PC Sensori alta frequenza Fino a 100 khz Segnale in tensione o corrente 100 Hz Segnale digitale Scheda di elaborazione Real Time Elaborazione segnale Valori in u.m.

18 Sistema di controllo Controllo diretto Attuatore Grandezza controllata PC Controlloin retroazione Attuatore Grandezza controllata Sistema di controllo Controllo in retroazione con sistema PID Target k p e(t) + - Errore e(t) de ( t ) k d dt Σ Attuatore k i e( t ) dt Grandezza controllata

19 Sistema di controllo Controllo in retroazione con sistema PID Coefficiente Effetti dell aumento dei coefficienti caratteristici Tempo Sovraelongazione Costante di di salita tempo Errore a regime k P Diminuisce Aumenta Invariato Diminuisce k I Diminuisce Aumenta Aumenta Eliminato k D Invariato Diminuisce Diminuisce Invariato Tempo di salita: tempo impiegato per raggiungere il valore massimo Sovra-elongazione: differenza tra il valore massimo raggiunto e il valore di regime desiderato Costante di tempo: tempo impiegato per raggiungere il 95% del valore desiderato Errore a regime: errore per un tempo tendente all infinito Principali strumenti di misura Misura della portata di combustibile Misuratori massici: Misuratore a galleggiante Misuratore a pesata continua

20 Principali strumenti di misura Misura della portata di combustibile Misuratori a flusso: Misuratore a effetto Coriolis Principali strumenti di misura Misura della portata d aria Misuratori volumetrici: Misuratore a lobi

21 Principali strumenti di misura Misura della portata d aria Misuratori a strozzamento: Misuratore a diaframma Altri misuratori: Principali strumenti di misura Misura della portata d aria Rosemount 485 Annubar Flowmeter

22 Principali strumenti di misura Misura della pressione in camera Trasduttori piezoelettrici: Kistler AVL Principali strumenti di misura Misura della pressione in camera Trasduttori piezoelettrici: Schema del circuito di amplificazione della carica

23 Principali strumenti di misura Misura della emissioni inquinanti Analizzatorenondispersivoaraggioinfrarossi(CO,CO 2,O 2 )-NDIR A elemento attraversato dal gas da analizzare B elemento di riferimento contenente azoto Ce Dcelle di misura contenenti il gas da rilevare M membrana elastica Principali strumenti di misura Misura della emissioni inquinanti Analizzatore a ionizzazione di fiamma(hc)- FID

24 Principali strumenti di misura Misura della emissioni inquinanti Analizzatore a chemiluminescenza(nox) Principali strumenti di misura Misura della emissioni inquinanti Opacimentro ad assorbimento di luce(particolato): Campionamento parziale Attraversamento totale

25 Riferimenti bibliografici G.L. Berta, A. Vacca, Sperimentazione sui motori a combustione interna, Monte Università Parma Editore, 2004 A. J. Martyr, M.A.Plint, Enginetesting-ThirdEdition, Elsevier, 2007 G. Minelli, Misure meccaniche, Patron Editore, 1974 G. Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, 2001